信息技术模拟理想实验在高中物理教学中的应用

史海龙

【摘要】相对而言，高中物理学科的知识点较为复杂且深入，对学生物理思维能力、物理创新能力，抽象思维理解能力等要求较高.而物理作为一门理论与实践结合度较高的学科，要求教师在教学过程中积极引入各类物理实验教学，以培养学生的动手、动脑探究能力.在物理学科实验中，存在诸多理想性实验，此类实验难以在现实生活中完成实验操作.而如今，在信息技術的不断发展下，理想实验可以通过信息技术完美达成.本文以高中物理力学知识为例，探索应用信息技术模拟理想实验在物理教学中的现实应用.

【关键词】信息技术；高中物理；实验教学

在信息技术发展与演变的过程中，诸多技术人才共同打造了功能多样的互联网技术平台，利用虚拟现实技术能够简单完成诸多在现实生活中难以完成的事件.而在新课程标准的大力推动下，我国教育部门更是提出了将信息技术全面引入教学工作中的要求，致力于为学生打造信息化、智能化的课堂.将信息技术应用于高中物理教学时，可以培养学生的抽象思维能力，使各类复杂、难懂或深奥的物理知识，以更直观的状态展现在学生面前，这一特征与新课标提出的高中物理实验教学中的理想实验需求高度相符.善用信息技术，可以将无法真实演示的理想实验，在各类虚拟实验室或线上实验平台中加以展示，学生可以直观感受理想实验原理及结论，能为学生带来更加真实的实验体验，便于学生理解知识点.因此，应用高交互性、高仿真性的信息技术平台模拟物理理想实验，俨然成为物理实验教学的未来发展趋势之一.

1 高中物理理想实验的概念

《认知与谬误》（恩斯特·马赫）一书，为“理想实验”赋予了明确界定，理想实验通常指在现实生活中并不存在，主要依托于想象力以及高理智水平的有形实验以外的实验.理想实验是无法在现实生活中做到，或以当前的科技水平无法达成的实验，在物理学界，普遍被认定为一种理论性的研究方法.

1.1 理想实验的特点

物理是一门通过实验不断论证猜想与假说的科学学科，在真实的实验过程中，多数物理学家会分析实验现象，再得出准确的实验结论，用以验证此前的猜想.但在实验中，往往会存在一些现实生活中无法避免的误差或各类客观因素导致实验结果不准确的现象.而理想实验是物理学家通过想象，在理想环境下对物理理论、假说进行深入分析，在猜想或假说中，利用逻辑完成猜想论证的过程.从某种程度上来说，理想实验能够极大简化实验论证、猜想的流程，也可以避免在现实实验中产生的各类问题或误差.

理想实验的核心特点主要表现为以下三点：（1）理想实验是在思想主导的理想条件下开展的实验，理论上不存在实验误差；（2）在缜密的逻辑体系下，理想实验有存在于现实世界中的可能；（3）理想实验条件清晰，其主要影响因素分明，易于寻找物理规律.

1.2 理想实验的主要作用

作为物理学科理论研究的主要途径之一，理想实验在物理科学探究中有着不可取代的重要价值.理想实验可以为各类直接建立的物理理论提供逻辑依据.例如，伽利略的惯性实验，便成了牛顿第一定律的理论依据.其次，理想实验可以在一定程度上打破物理学界原有的错误理论或固化思维.新颖的观点或假设是科学发展的必经之路，在不断提出理论、验证理论、推翻和重构理论的过程中，才能实现科技及人类文明的发展与进步.因此，理想实验是物理学科及人类科技文明发展的基础，是物理实验探究与哲学思想的高度统一.在思考、实验的过程中，人们便能渐渐接近真相，以揭示事物的本质.

2 信息技术模拟物理理想实验的优势

在信息技术的帮助之下，教师可以创建线上仿真物理实验平台，此类仿真实验平台不受时间、空间限制，能够让学生随时随地开展各类物理实验项目，且仿真模拟实验能够通过调整数据参数，呈现在生活中难以达到的物理现象及实验情境，可以进一步提高物理实验整体的展示效果，为学生打造极为真实且具有交互性特征的仿真实验室.在线上实验平台中，模拟各类理想物理实验，能够进一步加深学生对物理实验的了解，帮助学生深入掌握各类物理理论.虚拟仿真实验平台不限制学生接入平台进行实验的时间，可以让学生随时随地完成实验，还可以培养学生课下的自主学习、自主探究、自主实验意识等.

例如 在现实生活中，并不存在摩擦力为零的接触面，而在虚拟实验环境下，教师便可以为学生打造绝对光滑的理想平面，以此便可以开展理想斜面实验.在严谨的逻辑推论以及实验证明下，学生对该知识点的理解将会大大加深，有利于学生深度思考此类问题，帮助学生建立起完整的物理学习思维模式，扩宽了实验教学的深度及其广度.

3 以信息技术模拟理想实验在物理教学中的实际应用

3.1 借助理想实验，培养逻辑思维能力

高中阶段物理学科的知识点相对深入，因此教师需要专注培养学生的逻辑思维能力，便于学生理解各类深奥的知识点.此时，教师可以借助信息技术搭建虚拟线上实验平台，为学生演示各类具有代表性的经典物理理想实验案例，并要求学生在虚拟实验室中完成实验操作.真实的实验场景可以提高学生对物理学科的兴趣，让学生以充满热情的态度参与到物理实验中.由学生亲自动手完成的物理实验，能够让学生对这一知识点产生更加深入、系统的理解，有利于学生在操作中掌握物理知识，明确物理知识的形成过程.而此时，再加入教师的适当引导，便可以培养学生的逻辑思维，让学生尝试以物理思维思考问题，并根据现实问题提出假说，随后借助理想实验完成假说论证.

例如 在“自由落体运动”的传统实验教学中，需要使用打点计时器在连接重物的纸带上打点.该实验可以借助打点计时器在纸带上打点的痕迹，反映出物体自由落体运动时的行动轨迹，是极为传统的物理实验教学.但在实际操作时，纸带与打点计时器的振针之间必然会存在摩擦力，会在一定程度上影响物体自由落体的受力情况.由于各类客观因素使该实验的数据内容并不稳定，而此类误差在现实生活中无法避免.基于上述现象，教师便可以为学生设计信息技术平台的理想实验，以模拟重物自由下落的实验过程.在开展信息技术平台中的理想实验教学时，教师需要先让学生思考：在理想实验中的理想条件与现实生活中的真实实验有哪些差异？传统实验教学中涉及哪些外界作用力？外界作用力会对实验结果产生怎样的影响？通过教师的引导，学生可以意识到理想实验与真实实验之间的差别，有助于培养学生严谨的科学思维.在理想实验结束后，教师需要带领学生，通过多次理想实验与真实实验的数据对比，分析自由落体运动的本质，在实验中同学生一起观察并总结自由落体运动的主要特征及其规律.

3.2 借助理想实验，培养抽象思维能力

理想实验的本质是要求学生在提出假说后，依靠缜密的思维逻辑开展想象或推理，以现实为基础，在想象中完成实验操作.随后，结合日常生活中的固有经验，分析并得出最终的实验结论，便能够有效理解物理规律及物理知识.而物理学科作为一自然科学学科，其中涉及的多项知识点过于抽象，要求学生具备极高的想象思维、抽象思维及联想能力，在学生对各知识点深入理解与系统学习后，发挥个人的创新精神，才能真正开展想象推理，完成理想实验，并得出最终的实验结论.从这一角度上看，合理的理想实验可以有效培养学生的抽象思维能力，能有效提高学生的物理学科素养，帮助学生将生活经验与物理学习有效联系起来，在丰富的想象空间中，探索物理知识的本质.学生通过信息技术模拟理想实验，可以在虚拟的实验环境中，观察许多在现实生活中难以直接观测到的实验过程或实验结果.而虚拟线上平台也能够有效满足学生的想象力，让学生亲自动手操作许多在现实生活中无法达成条件的理想实验，有利于学生正确理解各类抽象性的物理知识.

例如  在高中物理力学中，“机械能守恒定律”是很重要的一大知识点.高中教材对机械能守恒定律的定义为：在仅有重力或弹力做功的情况中，物体动能、势能可互相转换，但其机械能总量始终保持不变.在教材的定义中，该定律的描述有一大前提，即忽略空气阻力及摩擦力影响，这正是在真实实验中无法达到的条件.这时，教师可以使用信息技术，模拟理想化的实验环境，忽略实验过程中空气阻力及接触面摩擦力对物体机械能转化的影响.在虚拟实验室中，设置仅有重力做功的物体系统，使学生在了解机械能守恒定律的基础上，在小组讨论中设计验证机械能守恒的理想实验.

3.3 借助理想实验，走入物理科学本质

在常规的真实实验中，受实验环境、实验操作，实验方式等各类因素影响，实验结果往往存在较大误差.此时，教师需要学生依靠想象，在脑海中创设理想实验环境，随后再凭借想象与逻辑推理論证物理规律.而在信息技术下，虚拟实验室可以排除客观因素的干扰，降低实验误差，真正化想象为现实.在物理实验教学中合理应用理想实验，可以为物理定律的理解或物理理论的研究提供具有极高价值的参考依据.同时，理想实验可以排除真实实验中的客观因素影响，真正让学生走入物理科学的本质，探索物理科学的规律.

例如 以“单摆简谐运动”实验为例，在教学过程中，教师可以先为学生展示单摆，随后让学生思考：若处于理想环境，将单摆小球看做是一个质点，并忽略空气阻力、细线的质量等外界因素的影响，单摆的运动轨迹应该是怎样的？在此过程中，教师必须引导学生大胆假设，并勇于提出个人的设想.之后，教师需要完成真实场景下的简谐运动实验，带领学生观测单摆运动的实际情况，学生会发现，真实环境下单摆振幅会渐渐减小直至为零.这时，再由教师引入简谐运动的实际概念，带领学生分析单摆小球在运动过程中的受力情况及其机械能转化情况.最后，在虚拟实验室模拟理想状态下的单摆简谐运动实验，应用虚拟实验室验证学生此前的猜想.本课教学，先由教师提出问题，再由学生做出假设，同时辅以真实实验场景下的受力分析，最终利用真实实验与理想实验现象及结论的对比，让学生真正观测到了单摆简谐运动的实际形态，使学生对该运动的基本特征及其规律产生更加深入的了解.

4 结语

在信息技术的模拟功能下，教师可以在虚拟实验室为学生预设物理规律，并按照实际情况为学生展示实验过程，让学生直观地了解物理现象，能缩减真实实验成本，创造理论与实践相结合的物理课堂.使用线上虚拟平台完成实验交互，可以提高学生的学习兴趣，让学生意识到物理学习的乐趣所在，培养学生的动手实践能力、思维创新意识.但在此过程中，教师必须要对学生做出正向引导，避免学生因各类虚拟实验或违反客观实际的实验结果和实验流程，产生错误的认知观念，才能真正提高学生的物理学科综合素养，让学生畅游在物理知识的海洋.

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